大查询对内存的影响

经常会被问到这样一个问题:我的主机内存只有100G,现在要对一个200G的大表做全表扫描,会不会把数据库主机的内存用光了?
这个问题确实值得担心,被系统OOM(out of memory)可不是闹着玩的。但是,反过来想想,逻辑备份的时候,可不就是做整库扫描吗?如果这样就会把内存吃光,逻辑备份不是早就挂了?
所以说,对大表做全表扫描,看来应该是没问题的。但是,这个流程到底是怎么样的呢?

全表扫描对server层的影响

假设,我们现在要对一个200G的InnoDB表db1. t,执行一个全表扫描。当然,你要把扫描结果保存在客户端,会使用类似这样的命令:
mysql -h$host -P$port -u$user -p$pwd -e "select * from db1.t" > $target_file
InnoDB的数据是保存在主键索引上的,所以全表扫描实际上是直接扫描表t的主键索引
这条查询语句由于没有其他的判断条件,所以查到的每一行都可以直接放到结果集里面,然后返回给客户端。
那么,这个“结果集”存在哪里呢?
实际上,服务端并不需要保存一个完整的结果集。取数据和发数据的流程是这样的:
  1. 获取一行,写到net_buffer中。这块内存的大小是由参数net_buffer_length定义的,默认是16k。
  1. 重复获取行,直到net_buffer写满,调用网络接口发出去。
  1. 如果发送成功,就清空net_buffer,然后继续取下一行,并写入net_buffer
  1. 如果发送函数返回EAGAIN或WSAEWOULDBLOCK,就表示本地网络栈(socket send buffer)写满了,进入等待。直到网络栈重新可写,再继续发送。
这个过程对应的流程图如下所示。
查询结果发送流程
查询结果发送流程
从这个流程中,你可以看到:
  1. 一个查询在发送过程中,占用的MySQL内部的内存最大就是net_buffer_length这么大,并不会达到200G;
  1. socket send buffer 也不可能达到200G(默认定义/proc/sys/net/core/wmem_default),如果socket send buffer被写满,就会暂停读数据的流程。
也就是说,MySQL是“边读边发的”,这个概念很重要。这就意味着,如果客户端接收得慢,会导致MySQL服务端由于结果发不出去,这个事务的执行时间变长。
比如下面这个状态,就是我故意让客户端不去读socket receive buffer中的内容,然后在服务端show processlist看到的结果。
服务端发送阻塞
服务端发送阻塞
如果你看到State的值一直处于“Sending to client”,就表示服务器端的网络栈写满了。
如果客户端使用–quick参数,会使用mysql_use_result方法。这个方法是读一行处理一行。你可以想象一下,假设有一个业务的逻辑比较复杂,每读一行数据以后要处理的逻辑如果很慢,就会导致客户端要过很久才会去取下一行数据,可能就会出现上图所示的这种情况。
因此,对于正常的线上业务来说,如果一个查询的返回结果不会很多的话,我都建议你使用mysql_store_result这个接口,直接把查询结果保存到本地内存。
当然前提是查询返回结果不多。如果因为执行了一个大查询导致客户端占用内存近20G,这种情况下就需要改用mysql_use_result接口了。
另一方面,如果你在自己负责维护的MySQL里看到很多个线程都处于“Sending to client”这个状态,就意味着你要让业务开发同学优化查询结果,并评估这么多的返回结果是否合理。
而如果要快速减少处于这个状态的线程的话,将net_buffer_length参数设置为一个更大的值是一个可选方案。
与“Sending to client”长相很类似的一个状态是“Sending data”,这是一个经常被误会的问题。有同学问我说,在自己维护的实例上看到很多查询语句的状态是“Sending data”,但查看网络也没什么问题啊,为什么Sending data要这么久?
实际上,一个查询语句的状态变化是这样的(注意:这里,我略去了其他无关的状态):
  • MySQL查询语句进入执行阶段后,首先把状态设置成“Sending data”;
  • 然后,发送执行结果的列相关的信息(meta data) 给客户端;
  • 再继续执行语句的流程;
  • 执行完成后,把状态设置成空字符串。
也就是说,“Sending data”并不一定是指“正在发送数据”,而可能是处于执行器过程中的任意阶段。比如,你可以构造一个锁等待的场景,就能看到Sending data状态。
读全表被锁
读全表被锁
Sending data状态
Sending data状态
可以看到,session B明显是在等锁,状态显示为Sending data。
也就是说,仅当一个线程处于“等待客户端接收结果”的状态,才会显示"Sending to client";而如果显示成“Sending data”,它的意思只是“正在执行”。
现在你知道了,查询的结果是分段发给客户端的,因此扫描全表,查询返回大量的数据,并不会把内存打爆。
在server层的处理逻辑我们都清楚了,在InnoDB引擎里面又是怎么处理的呢? 扫描全表会不会对引擎系统造成影响呢?

全表扫描对InnoDB的影响

介绍WAL机制的时候,和你分析了InnoDB内存的一个作用,是保存更新的结果,再配合redo log,就避免了随机写盘。
内存的数据页是在Buffer Pool (BP)中管理的,在WAL里Buffer Pool 起到了加速更新的作用。而实际上,Buffer Pool 还有一个更重要的作用,就是加速查询。
由于有WAL机制,当事务提交的时候,磁盘上的数据页是旧的,那如果这时候马上有一个查询要来读这个数据页,是不是要马上把redo log应用到数据页呢?
答案是不需要。因为这时候内存数据页的结果是最新的,直接读内存页就可以了。你看,这时候查询根本不需要读磁盘,直接从内存拿结果,速度是很快的。所以说,Buffer Pool还有加速查询的作用。
而Buffer Pool对查询的加速效果,依赖于一个重要的指标,即:内存命中率
你可以在show engine innodb status结果中,查看一个系统当前的BP命中率。一般情况下,一个稳定服务的线上系统,要保证响应时间符合要求的话,内存命中率要在99%以上。
执行show engine innodb status ,可以看到“Buffer pool hit rate”字样,显示的就是当前的命中率。比如下图这个命中率,就是99.0%。
show engine innodb status显示内存命中率
show engine innodb status显示内存命中率
如果所有查询需要的数据页都能够直接从内存得到,那是最好的,对应的命中率就是100%。但,这在实际生产上是很难做到的。
InnoDB Buffer Pool的大小是由参数 innodb_buffer_pool_size确定的,一般建议设置成可用物理内存的60%~80%。
在大约十年前,单机的数据量是上百个G,而物理内存是几个G;现在虽然很多服务器都能有128G甚至更高的内存,但是单机的数据量却达到了T级别。
所以,innodb_buffer_pool_size小于磁盘的数据量是很常见的。如果一个 Buffer Pool满了,而又要从磁盘读入一个数据页,那肯定是要淘汰一个旧数据页的。

InooDB内存管理算法(LRU)